（光学工程专业论文）yvo4nd：yvo4热键合晶体的制备及激光特性研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 激光二极管( l d ) 泵浦的固体激光器具有高稳定性，高效率，高能量的优 点，被广泛应用于军事、工业、医学和科学研究等领域，已成为国内外激光器领 域研究的热点。 在l d 端面泵浦n d ：y v 0 4 固体激光器中，由于激光工作物质吸收泵浦能量 而使激光晶体内形成一定的温度梯度，并且由于端面形变和热效应引起的 n d ：y v 0 4 内的折射率的变化形成热透镜效应，影响了激光光束质量，并且给激 光器的设计带来困难。为改善高功率激光器激光工作物质的热效应，本文采用热 键合的方法( 深度光胶) 研制出y v o d n d ：y v 0 4 复合晶体，键合晶体的波前干 涉p v 值为o 0 8 2 ( = o 6 3 2 8 朋1 ) ，键合面对波前的影响很小。用加压的方法 测试了键合强度。为了检验其良好的热效应，本文还测试了热键合晶体的热焦距， 并与相同掺杂浓度和体积的单块晶体进行了比较，发现由于热键合晶体键合面处 有效的热传导，热键合晶体的热透镜效应有明显的改善。本文分析了热键合晶体 内的温度场分布，并与未键合晶体进行了对比，进一步形象地展示了热键合晶体 具有良好的热效应本文还分析了热键合技术的应用领域，分析了热键合技术的 优点，为热键合技术的发展提供了思路。 本文还检测了热键合晶体在l d 端面连续泵浦条件下的基频输出特性，从泵 浦光到基频光的转换效率可达6 0 。特别当泵浦功率比较大时，由于热键合晶体 热效应引起的衍射损耗较小，并且热透镜效应得到改善，键合晶体的出光功率比 单块晶体有较大的提高。 研究了l d 端面泵浦y v o d n d ：y v o , d k t p 内腔倍频激光输出特性。通过分 析影响倍频输出因素，设计了合适的谐振腔腔型，得到了光光转换效率达1 7 2 3 i w 的稳定的绿光输出并根据处于稳定工作状态的激光特性，模拟得到二次 谐波的输出特性。 研究了l d 端面泵浦c r a ：y a g 、g a a s 被动调q 、y v o d n d ：y v 0 4 复合晶体 激光的输出特性，发现在相同泵浦功率下，相对未键合晶体，键合晶体脉宽更窄， 重复率，单脉冲能量和峰值功率更高，脉冲对称性更好。并在平面波近似下，根 据速率方程理论模拟了调q 脉冲的输出特性，实验值和理论值相符合。 v 山东大学硕士学位论文 论文的主要创新点： 1 、区别于已往在l d 端面泵浦固体激光器的研究中，侧重于利用水冷的方法从 侧面对激光工作物质的冷却和通过风冷的方法对通光面进行冷却，本文通过 在通光方向使用热键合的方法，利用透明热沉实现对泵浦端面热量的有效热 传递，使激光工作物质的热效应得到改善。 2 、区别于以往的热键合方法，使用高温高压的方法实现热键合面处离子的渗透 本文通过深度光胶的方法，即通过键合面处的精确抛光，实现两个相同晶向 的晶体的光胶，然后通过合适的热处理，实现热键合面处的分子键的重排和 渗透，从而达到稳定键合的目的。 3 、本文还使用m a t l a b 对热键合晶体以及单块晶体在l d 端面泵浦条件下的热 分布进行了模拟，形象地演示了热键合晶体对改善激光工作物质的热效应所 起的作用。 关键词：光胶，热键合，键合强度，l d 端面泵浦，被动调q v l 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ts e v e r a ly e a r s t h e r eh a sb e e na ni n c r e a s i n gi n t e r e s ti nl a s e r - d i o d e p u m p e da l l s o l i d - s t a t el a s e r sb e c a u s es u c hl a s e r sc a r tb ew i d e l yu s e di nt h ef i e l d so f m i l i t a r ya f f a i r s ，i n d u s t r y , m e d i c i n e sa n d s oo i l i nt h er e s e a r c ha r e ao fl a s e r - d i o d ee n d - p u m p e dn d ：y v 0 4a l l - s o l i d - s t a t el a s e r s ， at e m p e r a t u r eg r a d i e n ti sf o r m e di nt h el a s e rc r y s t a lb e c a u s eo ft h ea b s o r p t i o no ft h e p u m pp o w e r b e c a u s et h et e m p e r a t u r eo ft h ec e n t e ro ft h el a s e rc r y s t a li sh i g h e r c o m p a r i n gw i t ht h ee d g eo fi t , ad e f o r m a t i o no ft h es u r f a c ei sh a p p e n e da n dat h i n c o n v e ) 【i sf o r m e d , i na d d i t i o n , t h ec h a n g eo fr e f r a c t i v ei n d e xo ft h el a s e rc r y s t a lc a l l a l s od e v o t et ot h et h e r m a ll e n se f f e c t t h et h e r m a le f f e c ta f f e c t st h el a s e rq u a l i t ya n d m a k e st h ed e s i g n i n go f t h el a s e rc a v i t ym o r ed i f f i c l l l t i nt h i sp a p e r , t h ed i f f u s i o nb o n d i n g ( d e e po p t i c a lc o n t a c t i n g ) m e t h o di su s e dt o m a k ean d ：y v 0 4 y v 0 4c o m p o s i t ec r y s t a l t h ew a v e f r o n ti n t e r f e r e n c em e t h o di s u s e d t o t e s t t h e q u a l i t y o f t h e i n t e r f a c e a n d t h e p - v v a l u e i s o 0 8 2 ( = o 6 3 2 8 m ) t h i sv a l u ei n d i c a t e st h a tt h eq u a l i t yi se x c e l l e n t ap r e s si sp u to nt h ei n t e r f a c ea r e a f r o mt h es i d et ot e s tt h eb o n d i n gs t r e n g t h , a n df i n dt h a taf i r mb o n di sf o r m e d i n o r d e rt ot e s tt h ee x c e l l e n tt h e r m a le f f e c to ft h ed i f f u s i o nb o n d e dc r y s t a l ，t h ef o c a l l e n g t hi st e s t e dc o m p a r i n gw i t ht h es i n g l ec r y s t a lw i t ht h es a l n ev o l u m ea n dd o p c c o n c e n t r a t i o n a n df m dt h a tt h ec o m p o s i t ec r y s t a lh a v em u c hl o n g e rt h e r m a ll e n g t h u n d e rt h es a m ep u m pc o n d i t i o n c o m p a r i n g w i t l lt h es i n g l ec r y s t a l i no r d e rt oa n a l y z et h et h e r m a le f f e c to ft h ec o m p o s i t ec r y s t a l ，t h em a t h e m a t i c a l s o t b c e a r em a t l a bi su s e dt oc a l c u l a t et h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h el a s e r c r y s t a l ， d i s p l a y e dt h ee x c e l l e n tt h e r m a le f f e c tv i v i d l yc o m p a r i n gw i t l lt h es i n g l ec r y s t a l i nt h i sp a p e r , t h ea p p l i c a t i o nf i e l d so ft h ec o m p o s i t ec r y s t a la r cs u g g e s t e d ，t h e e x c e l l e n te f f e c t so f t h ed i f f u s i o nb o n d i n gm e t h o dh a v eb e e na n a l y z e d , a n dt h ei d e ao f t h ed e v e l o p m e n to f t h ed i f f u s i o nb o n d i n gm e t h o di sg i v e n i nt h i sp a p e r , l de n d p u m p e dy v o j n d ：y v o da l l s o l i d - s t a t el a s e ri sr e s e a r c h e d n et r a n s f o r me f f i c i e n c yf r o mp u m pp o w e rt of u n d a m e n t a lp o w e ri s6 0 e s p e c i a l l y 山东大学颈士学位论文 w h e nt h ep u m pp o w e ri sh i g h ，t h ed i f f r a c t i o nl o s sc a u s e db yt h et h e r m a le f f e c ti sl i u l e a n dt h et h e r m a ll e n se f f e c ti si m p r o v e d ，t h el a s e re f f i c i e n c yo f t h ec o m p o s i t ec r y s t a li s m u c hh i g h e rc o m p a r i n gw i t ht h es i n g l ec r y s t a l i nt h i s p a p e r , l de n d p u m p e dy v 0 4 n d ：y v o d k t pi n t r a - c a v i t y d o u b l e f r e q u e n c yl a s e ru s i n gav - c a v i t yi sr e s e a r c h e d b ya n a l y z i n gt h ef a c t o r st h a te f f e c tt h e s e c o n d h a r m o n i c - g e n e r a t i o n ( s h g ) p r o c e s s as u i t a b l el a s e rc a v i t yi sd e s i g n e da n da s t e a d y3 i wc o n t i n u o u s - w a v e ( c g og r e e nl a s e r 砸t it h et r a n s f o r me f f i c i e n c y1 7 2 ( f r o mp u m pp o w e rt og r e e nl a s e rp o w e r ) i sg e n e r a t e d t h es h gp r o c e s si ss i m u l a t e d a c c o r d i n gt ot h el a s e rt h e o r i e s i nt h i s p a p e r , l de n d - p u m p e d c r ：y a g 、c r a a sp a s s i v e l yq - s w i t c h e d y v o d n d ：y v 0 4l a s e ri sr e s e a r c h e d i nt h es a m ec o n d i t i o n , o u t p u tl a s e rp u l s e sw i t h n a l r o w e rp u l s ew i d t h ，h i g h e rr e p e t i t i o nr a t e ，s i n g l ep u l s ee n e r g ya n dp e a l cp o w e ra r e g e n e r a t e dc o m p a r i n gw i t ht h es i n g l ec r y s t a l t h ep r o c e s so fp u l s eg e n e r a t i o ni s s i m u l a t e db yc a l c u l a t i n gt h er a t ee q u a t i o no b t a i n e du n d e rp l a n ew a v ea p p r o x i m a t i o n t h et h e o r e t i c a lp r e d i c t i o n sa r ci na g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h ei n n o v a t i v ep o i n t so ft h i sd i s s e r t a t i o n ： i ：c o m p a r i n gw i t ht h ec o o l i n gm e t h o do f t h el a s e rc r y s t a lb e f o r e ，w h i c he m p h a s i z e d i nt h es i d e - c o o l i n gu s i n gw a t e ra n do p t i c a lf a c ec o o l i n gu s i n gc o l da i r , i nt h i s p a p e bat r a n s p a r e n tt h e r m a la b s o r b e ri sd i f f u s i o nb o n d e dt ot h ed o p e dl a s e r c r y s t a l t h eh e a tw h i c hi sg e n e r a t e da tt h ep u m pf a c eo ft h el a s e rc r y s t a li s t r a n s m i t t e de f f e c t i v e l yf r o mt h ed i f f u s i o ni n t e r f a c e ，s ot h et h e r m a le f f e c to ft h e l a s e rc r y s t a li si m p r o v e de f f e c t i v e l y 2 ：c o m p a r i n gw i t l lt h ef o r m e rd i f f u s i o nb o n d i n gm e t h o d 。w h i c hu s eh i i g hp r e s sa n d l l i g ht e m p e r a t u r ei nt h ed i f f u s i o nb o n d i n gp r o c e s s ，i nt h i sp a p e r , ad e 印o p t i c a l c o n t a c t i n gm e t h o di su s e d i nt h i sp r o c e s s , t h ed i f f u s i o nb o n d i n gs u r f a c ei s p r e c i s e l yp o l i s h e da n dc o n t a c t e db yt h ei n t r a - m o l e e u l a rs t r e n g t h ( h b o n d ) ，a n d t h e ni ti sp u ti na be v e nt e m p e r a t u r ef i e l da n dh e a t t r e a t e db yas u i t a b l e t e m p e r a t u r e i nt h ep r o c e s so fh e a tt r e a t m e n t t h em o l e c u l a rb o n di sr e a r r a n g e d a n das t e a d ya n ds t r o n gb o n di sf o r m e d v i l i 山东大学硕士学位论文 3 ：i nt h i sp a p e r , t h em a t h e m a t i c a ls o f t w a r em a t l a bi su s e dt oa n a l y z et h eh e a t d i s t r i b u t i o ni nt h ec o m p o s i t ec r y s t a la n ds i n g l ec r y s t a l t h et h e r m a le f f e c to ft h e c o m p o s i t ec r y s t a li sd i s p l a y e dv i v i d l y k e yw o r d s ：o p t i c a lc o n t a c t ，d i f f u s i o nb o n d i n g , b o n d i n gs t r e n g t h ，l de n d - p u m p e d , p a s s i v e l yq s w i t c h e d 山东大学硕士学位论文 符号说明 光束在激活介质上的有效面积 单脉冲能量 真空中的光速 g a a s 饱和吸收体厚度 调q 脉冲重复率 激光介质增益系数 谐振腔损耗 激光腔内振荡光光强 平均输出功率 峰值功率 脉冲宽度 激活介质的翻转粒子数密度 激活介质的受激发射截面 光在腔内往返一周的时间 激光晶体的折射率 激光晶体的长度 k t p 晶体长度 c r ：y a g 饱和吸收体厚度 谐振腔腔长 激活介质上能级寿命 输出镜反射率 输出光子能量 系统泵浦速率 泵浦光功率 泵浦光光予能量 激活介质的吸收系数 饱和吸收体小信号透过率 x 4 f c d ， 口 五厶厶岛 疗 盯 。 吼j 厶l 厶 r 骨 加 以以 加 口 五 山东大学硕士学位论文 输出镜透过率 泵浦光波长。 振荡光波长 转换效率 粒子数反转因子 光束在激光晶体中的体积 激光物质初始反转粒子数 激光物质阈值反转粒子数 激光物质最终翻转粒子数 有效非线性系数 真空介电常数 谐振腔的耦合系数 c r ”：y a g 激发态吸收截面 c r ”：y a g 基态的吸收截面 c r ”：y a g 的激发态寿命 c r “：y a g 基态粒子数密度 c ，：y a g 基态粒子数密度初始值 光束在饱和吸收体上的面积 g a a s 双光子吸收的耦合系数 g a a s 双光子吸收系数 e l 2 0 吸收截面 e l 2 吸收截面 g a a s 深能级e l 2 上总的粒子数密度 带正电部分( e l 2 + ) 的粒子数密度 光斑在激活介质上的半径 光斑在g a a s 片上的半径 泵浦光在激光介质上的有效半径 r o _ p r 以 盯 r 矿 m 儿 m 如 岛f 蟊 田 r 所 心以占 卢。b盯 届疗 “ 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：蔫丝 e t期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：槛导师签名：数日 期：扩7 啦l o 山东大学硕士学位论文 第一章引言 自激光器问世以来，固体激光器因为具有显著的优点获得了飞速发展，特 别是二十世纪八十年代中后期，随着激光二极管( l d ) 的问世，由激光二极管作 为泵浦源的固体激光器( d p s l ) 逐渐成为入们研究的热门。它效率高、稳定性好、 结构紧凑、寿命长，同时这种激光器输出光束的发散度比半导体激光器要小三个 数量级，而储能机制要提高七个数量级。一些性能优良的全固态激光器已走出实 验室，走向商品化，广泛地应用于激光通讯、遥感探测、工业、军事和医疗卫生 等方面。在本章中，我们首先对全固态激光器的历史与发展过程进行了回顾，并 对当前的激光材料和热键合晶体、倍频、以及调q 技术进行了简单介绍 第一节固体激光器的历史与发展 在固体激光器的发展史上，泵浦源的改善和革新起着重要的作用1 9 6 0 年 t h m a i m a n 发明的红宝石激光器是用螺旋形氙灯泵浦的。以后改进为直管氙 灯、弧光氙灯等作泵涌源并一直沿用到现在灯泵固体激光器有其严重的缺点： 效率低、寿命短、功率及频率稳定性不好以及体积、重量大和结构复杂等。 自从1 9 6 2 年第一只激光二极管产生以后。人们就产生了用激光二极管作为 固体激光器泵浦源的思想，1 9 6 4 年美国m i t 林肯实验室k e y s 等人首次在实验室 条件下实现了这一想法。此后，由于激光二极管未能实现室温、长时间和大功率 运转，激光二极管泵浦固体激光器一直没有取得进展直到1 9 7 2 年，室温下波 长匹配的全固态y a g 激光器才得以实现 2 0 世纪8 0 年代以后，随着分子束外延( 邸e ) 、金属有机物化学气楣淀积 ( m o v c d ) 等晶体生长新技术的日益成熟和量子阱结构的出现，使得l d 的阈值电 流明显降低，转换效率和输出效率成倍增长，使用寿命也显著增长另外，新量 子阱材料的发展使l d 的激发波长得到了很大的拓宽。在室温下，覆盖范围已扩 展到从蓝光到红外高功率，高效率l d 的发展使全固态激光器从8 0 年代末起迈 上了一个新台阶，研究内容几乎涉及到了激光技术的各个方面：利用调q 和锁模 技术可产生峰值功率几十千瓦的皮秒级超短脉冲；利用短薄片腔、环形腔或扭转 模腔等方法可实现激光器的单频运转；利用倍频、和频与参量振荡等频率变换技 山东大学硕士学位论文 术可获得更大波段范围的激光输出。 进入2 0 世纪9 0 年代以后，d p s l 的研究重点已经转向实用化和商品化。更 深入的研究则在倍频、和频、调q 、锁模和大功率等方面迅速展开，并不断地取 得突破性进展。 第二节激光二极管泵浦的激光工作物质的发展 在激光器件发展过程中，另一个值得注意的重要问题就是研制与l d 泵浦相 适应的各种新型激光工作物质，以获得新的激光波长、更高的效率、更低的价格、 更适合于调q 、锁模和倍频输出等，实现工业化生产 一种优良的激光工作物质应该具有以下几个特点： 1 优良的荧光和激光性能 为了获得较小的阈值和尽可能大的激光输出能量，一般要求材料在光源辐射 区交界有较强的有效吸收，而在激光发射波段上应无光吸收。要有强的荧光辐射， 高的量子效率，适当的荧光寿命和受激发射截面等。 2 优良的光学均匀性 晶体内的光学不均匀性不仅使光通过介质时波面变形，产生光差，而且还会 使振荡阈值升高、激光效率下降，光束发散度增加晶体的静态光学均匀性好， 即要求内部很少有杂质颗粒、包裹物、气泡、生长条纹和应力等缺陷，折射率不 均匀尽量小。晶体的动态光学均匀性好，就要求该材料在激光的作用下，不因热 和电磁场强度的影响而破坏晶体静态光学均匀性。 激光晶体还必须有良好的热稳定性激光器在工作时，由于激活离子的无 辐射跃迁和介质吸收光泵的一部分能量而转化为热能，同时由于吸热和冷却条件 不同，在激光棒的径向就会出现温度梯度，从而导致晶体光学均匀性降低。 3 良好的物理化学性能 要求热膨胀系数小，弹性模量大，热导率高，化学价态和结构组分要稳定， 还要有良好的光照稳定性等。还要求能容易制得大尺寸、光学均匀性良好的单晶， 易于加工。 随着l d 波段范围的扩展和输出功率的提高，使固体激光材料的研究和探索 出现了新的高潮。人们目前i f 在寻找更多的适合l d 泵浦的新型固体激光材料， 有些材料在固体激光发展初期已进行过研究( 如磷灰石结构品体) ，但在灯泵时 山东大学硕士学位论文 期由于存在某些缺陷( 如难以得到大尺寸、热导性差等) 不能与y a g 、红宝石等 竞争而被放弃；l d 泵浦的激光晶体尺寸可以只是灯泵所用的 2 0 或更小，由于 光谱匹配好，泵浦效率高，热效应也大大减小，因而使得激光晶体获得新生。 ( 1 ) n d ：y a g ：是最成熟的固体激光材料。目前其它各种材料的评价一般都与 n d ：y a g 进行比较。n d ：y a g 属立方结构，其绝大多数光学性质为各向同性：荧光 线窄，增益高，阅值低；机械强度高，热导性好，具有良好的光学质量。主要缺 点是n d 离子浓度掺杂高时会发生浓度猝灭 ( 2 ) n d ：w o | ：与n d ：y a g 相比，n d ：y v 0 4 有许多独特的优点。在l d 泵浦的众 多激光晶体中，它是n d ：y a g 的有力竞争者。 n d ：y v o , 晶体是锆英石结构，属四方晶系，是单轴晶体。在a 轴切割时其万偏 振( el ic ) 和仃偏振( e 上c ) 的光谱特性具有明显差异，其最强吸收和最强辐射 都发生在万偏振取向n d ：y v 0 4 激光器输出石偏振，有利于腔内倍频效率的提高。 n d ：y v 0 4 可以允许比n d ：y a g 掺入更多的n d 离子而不发生浓度猝灭效应，在 8 0 8 r u m 附近的吸收系数能够达到n d - y a g 的3 1 5 倍，有非常宽的吸收带。n d ：y v o 晶体在1 0 6 胁和1 3 4 p , m 波长处都具有较大的受激发射截面 1 在1 0 6 p , m 处， n d ：y v 仉受激发射截面仃约为n d ：y a g 的四倍。在1 3 4 a m 处，n d ：y v o , , 受激发射截 面远高于n d ：y a g 。主要缺点是热导率低，具有较为完善的解理面，机械性能也 不如n d ：y a g 好，在高功率下受到很大限制 第三节研制热键合晶体w 0 n d ：w 0 的原因 在连续或脉冲工作的固体激光器中，激光介质吸收泵浦辐射产生的热与外部 对介质的冷却构成了介质内部的热梯度，引起了介质内的各种热效应，例如由于 泵浦端面热应力过大而引起晶体的破裂，热致应力双折射以及热透镜效应等 2 。 采用一种光学透明的热沉和激光晶体相键合的激光工作物质，可以实现键合面处 有效的热传导，改善激光介质内的温度分布，减小热应力以及改善光束质量。 n d ：y v o 。晶体在i 0 6 l m 和1 3 4 姗波长处都具有较大的受激发射截面，在 8 0 8 n m 附近有较大的吸收系数，并且具有吸收带宽以及偏振输出等诸多优点。但 是由于它的热导率较低以及机械硬度较小，限制了n d ：y v 0 4 晶体在高功率激光器 中的应用，本文在l d 端面泵浦n d ：y v 0 4 激光器中，利用热键合的方法，在n d ：y v 0 4 山东大学硕士学位论文 晶体的通光方向键合上未掺杂的y v o t 晶体，它可以有效地吸收n d ：y v o , 晶体由于 吸收泵浦光能量而产生的热量。从而改善激光器的热效应，提高输出高斯光束的 质量和输出功率。 第四节腔内倍频激光输出特性的研究 绿光激光器因其在光存储、水下通信、精密测量以及激光医疗等诸多领域的 广泛应用而成为一种非常有用的可见激光光源。二极管泵浦内腔倍频是获得连续 或高重复频率绿光输出的有效手段，它相对于腔外倍频激光器的显著优点在于高 的谐波转换效率，但它的应用受到源于纵模和频以及交叉饱和效应的所谓“绿光 问题”的限制。随着二极管泵浦技术的发展，二极管泵浦内腔倍频激光技术的研 究获得显著进展，已经获得平均功率超过i o o w 的调q 绿光输出。 理论研究方面，耦合波方程和j o n e s 矩阵法是研究内腔倍频的重要方法， 原则上可以解释给定内腔倍频系统的动态过程。前者用于描述腔内纵模强度和增 益的变化，后者则用于分析腔内的偏振态。b a e r 首次提出了内腔倍频耦合波方 程，并利用它对腔内的相关过程进行了研究，分析了纵模情况，预言了与实验结 果较好吻合的无规则振荡，并特别分析了两纵模情况，预言了两个纵模彼此异相 的脉冲状态。o k a 等人则指出在b a e r 的理论中忽略了基波和二次谐波的偏振， 提出考虑到纵模偏振后的耦合波方程形式。u s t y u g o v 等考虑到纵模偏振，利用 耦合波方程和j o n e s 矩阵法分析了一个内腔倍频系统一折叠腔的纵模动态过程， 从理论上预言了所谓的“反相效应”和“群集效应”，并得到与理论吻合很好的 实验结果。 实验研究多集中在谐振腔方面，中小功率系统中采用较多的是直腔和环形 腔，这也是“绿光问题”的研究焦点所在。直腔的优点是结构简单、调整方便、 稳定和便于形成整机等，缺点在于腔镜的失调会导致输出光束质量的严重下降； 单向环型腔是获得数毫瓦、单纵模的腔内倍频绿光时采用的腔型。高功率系统中 采用较多的是v 型腔或z 型腔。折叠腔的优点是将基频光与倍频光分丌从而避免了 4 山东大学硕士学位论文 激光晶体对倍频光的吸收，同时可产生两个柬腰，端面泵浦情况下可将激光晶体 与倍频晶体分别放在两束腰处以获得较大的泵浦光功率密度和较高的倍频转换 效率。但是v 型腔存在像散，输出的激光光斑是椭圆的，需要用以布儒斯特角放 置的波片进行像散补偿，同时起到选模的作用；z 型腔可以输出圆光斑但调整较 为复杂。在高功率的二极管泵浦内腔倍频激光系统设计中，为获得高功率和高光 束质量要考虑的中心问题仍然是系统的热效应。 在腔内倍频激光器中，k t p ( k t i o p o 。) 是常用的倍频晶体。它具有大的非线性 系数，大的容许温度和容许角度，激光损伤阈值较高，化学性质稳定，不潮解， 机械强度适中，倍频转化效率高达7 0 9 6 以上等特性，是中小功率固体绿光激光器 的最好倍频材料。 其主要性能参数为 透过波段：0 3 5 4 5 p m 电光系数： y 鹑- 3 6 p m v 折射率：n - - 1 7 3 7 7 ，n ，= 1 7 4 5 3 ，n ；= 1 8 2 9 7 1 0 6 4 n m 激光损伤阈值：2 2 g w c m 2 1 0 6 4n m 非线性光学系数：d 。= 1 3 7 p l n v 倍频转化效率：4 5 7 0 9 6 第五节调q 技术 调q 就是调节激光器的q 值，即在激光器泵浦的初期，把谐振腔的q 值调得 很小，使激光器暂时不满足振荡条件，在泵浦功率的激励下，获得很高的反转粒 子数密度，这时再迅速调大谐振腔的q 值，此时反转粒子数密度远大于阚值反转 粒子数密度，激光振荡迅速建立起来，达到很高的峰值功率，同时，反转粒子数 迅速被耗尽，脉冲很快结束，这样就获得具有窄脉冲宽度和大峰值功率的巨脉冲。 一般调q 激光器输出脉冲的宽度为纳秒( 1 0 1 秒) 量级，峰值功率可达兆瓦量级 以上，高的可达百兆瓦以上。 山东大学硕士学位论文 调q 技术可分为主动调q 和被动调q 两种，下面就这两种方式加以简要介绍。 1 主动调q ：谐振腔内损耗的变化由外部驱动源控制，而与腔内激光强度 无关，常用的方法有电光调q 、声光调o 等。 电光调q 是利用晶体的普克尔电光效应，即在外加电场作用下，改变晶体 的折射率，以此调节激光谐振腔内的q 值。主要特点是开关时间很短，用这种开 关做成的调q 激光器可获得脉冲很窄，峰值功率高，输出稳定的巨脉冲。但这种 方式的重复率很低，一般低于l k h z ，而且需要高压来控制，增加了实际操作的 难度。 声光调q 是利用光通过介质中超声场时，发生衍射而造成光偏折，以此来 控制激光谐振腔内的q 值。由于声光开关的调制电压较低( 几十伏) ，容易与连 续激光器配合而获得l 6 0 k i i z 高重复率的巨脉冲，且稳定性好，但是开关能力 比较差，输出脉冲较宽( 几十到数百纳秒) 。 2 被动调q ：根据某些物质对入射光有强烈的非线性效应特性而制成的可 饱和吸收体，将其作为损耗片来调节激光谐振腔的q 值开关。饱和吸收体有着低 成本、体积小、操作方便等优点被广泛用来产生纳秒量级、高重复率的脉冲串。 目前主要有染料调q 、色心晶体调q 、c r “：y a 6 饱和吸收体调q 和半导体材料( ；a h s 调q 等。 与有机染料及色心晶体相比，( ；a h s 和c ，：y a g 具有光化学性质稳定、热导 性好、损伤阈值高及无退化等优点，其在0 9 1 2 帅波段具有饱和吸收特性， 因而可作为掺n d “激活介质的饱和吸收型被动q 开关。 6 山东大学硕士学位论文 第二章热键合晶体的制备过程 在传统的热键合工艺中，将待键合晶体放置在高温高压的条件下，从而实现 键合面处离子的大量扩散。但是很多激光晶体在接近熔点的温度，其性质发生改 变，因此后来人们开始探索更安全的热键合方法。 第一节制备热键合晶体的工艺要求 在传统的晶体热键合工艺中 3 ，通过施加垂直于键合面的外部压力的方法， 将被键合的两块晶体紧紧地贴在一起，然后升高到熔点附近的温度从而实现键合 面处离子的相互渗透。这种方法存在一定弊端，如键合面内困住的气体难以扩散 出来，压力不均匀易使键合面产生微小的裂纹，过高的温度容易使晶格结构发 生变化等等。特别对于y h v o ：n d ：y v o 。晶体的热键合，当温度过高时，会发生色心 吸收现象 4 3 ，使晶体的颜色发生改变，w 0 4 n d ：y v o 。晶体在l l o o x ! 的高温下， 晶体的颜色变化如图2 1 和图2 2 所示： 图2 1 热处理前晶体颜色 f i g 2 1t h ec o l o ro ft h el a s e rc r y s t a lb e f o r eh e a tt r e a t m e n t 7 山东大学硕士学位论文 图2 2 热处理后晶体颜色 f i g 2 2 t h ec o l o ro ft h el a s e rc r y s t a la f t e rh e a tt r e a t m e n t 近几年有文章报道使用a r + 离子束千蚀法实现晶体的键合 5 6 ，其主要操作 步骤如图2 3 所示： 鼢& 磅 h y d r o g e nb o r 蝴h n g r 一气 一”， c 团 图2 3a r + 离子束干蚀法制备热键合晶体的步骤 f i g 2 3t h ep r o c e s so fa r + d r ye t c h i n gp r o c e s si nt h ed i f f u s i o nb o n d i n g 但这种方法对晶面的刻蚀深度需要控制在纳米量级内，操作起来比较困难， 同时对晶面的刻蚀会影响键合面的光洁度。 本文采用先光胶后热处理的方法 7 - 1 6 ，研制了y v 0 , n d ：y v o 。键合晶体，并 测试了键合晶体的波前干涉性质以及它在l d 连续泵浦条件下的激光特性。该方 法热处理过程温度相对较低，键合面光学质量优良，为y v o j n d ：y v o 。及其他复合 晶体的制备提供了一种安全有效的方法。 s 山东大学硕士学位论文 l 、热键合工艺的理论分析 1 1 、光胶以及影响光胶过程的因素 在室温下把两块精细抛光的晶片靠在一起，通过分子问作用力，晶片会黏合 在一起，这一过程称为光胶。设两晶面的表面能量分别为，。，：，光胶后的 内表面能量为ym 在光胶的过程中释放出来的能量可以表示为w = y 。+ y f y 一 由于任何晶面都不是严格光洁的平面，用原子力学显微镜( a 刚) 扫描晶面，可 以发现晶面参差不平的结构。如果把这些晶面上微小的凸凹点看成是由无数的小 球面组成的，其半径为r ，小球面的杨氏模量设为e ，可以用参量口分析影响光 胶过程的因素 1 6 ：p = 等妄其中e = 号【e ( 1 1 2 ) 】，r 是泊松系数。口值 越小，越容易实现光胶。式中。是晶面在纳米量级上表面各点相对某一纯平面的 高度偏离的方差，它反映了晶面的粗糙度。通过这个式子发现可以通过增大表面 活性能( 增大w ) ，增大结合材料的弹性( 减小e ) ，减小表面的粗糙度( 减小o ) 来优化光胶的过程。 ( 1 ) 为了增大表面活性能，在光胶前，需要对晶面进行严格的净洁处理，在 这个过程中由前期操作引入的所有污染物被除去，具体使用的化学试剂要视具体 键合晶体而异。可以选择有机溶剂作为清洁试剂如乙醇，乙醚等。通过清洁处理， 晶面上形成了伽层，这些羟基又通过氢键结合了水分子，在晶面上形成一层均 匀的水膜，晶面具有了亲水性和高的表面活性能，从而增大了，：以及结合 能w 的值； ( 2 ) 材料的弹性随e + 值的增大而减小，它由材料的固有性质决定，弹性越大， 晶面越容易因为近距离的分子间的作用力而变形，从而适应晶面面形的不完全匹 配。同时还与键合晶体的厚度有关，与晶体棒相比，比较薄的晶体薄片在光胶的 过程中更容易因为分子问的作用力而发生面形的改变； ( 3 ) 通过精细抛光来提高晶面的光洁度，降低晶面的粗糙度，从而减小。值。 9 山东大学硕士学位论文 1 2 、热处理过程 氢键在光胶的过程中起主要作用 4 ，9 ，1 1 ， 氢键是将氢从氢的给体原子 向氢的受体原子方向吸引的一种作用力，它是所有非共价相互作用中键能最大的 一种分子间作用力。在热处理过程中，随着温度的升高，氢键逐渐形成更紧密地 结构，分子间作用力促使两个晶面更加接近。在氢键的重新排布过程中，扩散起 了主要作用。表面0 h “离子会发生缩水反应：o h 一+ o h - = h 扣阡0 2 。缩水反应中产 生的水分子会通过结合面扩散出去或者扩散进晶体结构中。在高温下，由于氧、 空穴或其他元素的扩散以及晶体表面存在的悬空键导致晶面附近晶格的重新捧 布，使键合晶体具有同类单块晶体类似的机械强度。在热处理过程中使用的温度 范围一般较高，为所键合晶体中熔点较低的那块晶体的熔点的0 4 - 0 9 倍高温 保持的时间大约在8 - 5 0 小时的范围，具体的加热过程还要视所键合晶体的具体 情况而定。由于通常n d ：y v 0 4 结晶于非化学计量的熔体中，未充分氧化会使晶体 成分中含有y v 0 4 ，y ：吼，v 2 0 3 和v ：0 5 ，当温度超过8 0 0 【2 时，v 2 0 5 就易于分解并且活 性增强，和键合面处的水分子结合而形成v 2 0 5 ：n h ：o ，附着在内表面上，从而形成 不透明层。另外，如果n d ：y v 0 4 和y v 0 4 被暴露在过高温度下时间太长，键合面上 容易产生籽晶的生长，同时由于晶体内存在的晶格缺陷受辐射光中紫外部分作用 时间过长，产生色心吸收，晶体的颜色会加深。 2 、热键合工艺的步骤 a n d ：y v 0 4y v 0 4 c j a 图2 4 热键合晶体的结构 f i g 2 4t h ec o n f i g u r a t i o no ft h ey v 0 4 n d ：y v o , d i f f u s i o nb